35kV真空开关永磁机构操作控制器的设计与实现

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线性光耦HCNR201模拟电压隔离电路是先通过错误！未找到引用源。运算放大器将输入的电压变成电流，再通过错误！未找到引用源。将电流重新变回电压。此电路的模拟输入电压与输出电压的关系为：错误！未找到引用源。/错误！未找到引用源。=K错误！未找到引用源。/错误！未找到引用源。，所以模拟输出电压与错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。相关，改变错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。的值将会输改变出电压，错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。的取值是相等的。错误！未找到引用源。的作用是限流，错误！未找到引用源。的作用是将电流变成电压，错误！未找到引用源。的作用是控制LED的发光程度，错误！未找到引用源。的作用是提高电路的稳定性。此次设计的电路由芯片两个芯片的LM358P和线性光耦HCNR201组成，在线性光耦HCNR201模拟电压隔离电路前面还加了阻抗变换，其目的是增大输入阻抗，减小输出阻抗，可以使后面的线性光耦HCNR201模拟电压隔离电路更好的工作，而且根据电压跟随器的虚短虚断，不会改变其模拟输入数值的大小。单片机要检测数据需要AD转换芯片，线性光耦隔离的输入输出比例为1:1，下个模块应用的AD芯片是的输入电压是0~5V，而且LM358P存在摆幅，因此在电容电压隔离前需要分压，根据AD芯片和LM358P摆幅确定分压倍数，计算出AD转换倍数Kv，以便程序能跟好的检测出电容电压的准确值，还需要使用一个稳压管，其作用是限幅，为了使电路更具有可靠性，通过电源和地之间接入了电容，其作用是去耦。 3.5 数据采集模块

主电路的信号是模拟量，控制电路单片机只能接受数字信号，本设计采用的芯片为AT89S52，自身不具有AD转换功能，因此必须加一个模数转换器即AD芯片[14]。此模模块采用的是8位AD芯片PCF8591。AD芯片电路图如图3-7所示。

图3-7 PCF8591电路图

PCF8591芯片的1~4引脚都可以实现模拟信号输入，任选其中一个即可，此模块采用1引脚与前面的主电路连接，因此芯片的2~8脚都接地即可。为了防止外界干扰，使电路具有更高可靠性，需要在16引脚加一个抗干扰电阻。芯片的9、10引脚是与总线连接的引脚，都采用漏极开路，属于高阻抗，要使AD芯片与单片机之间能够传递所转

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换的数字信号，必须在时钟线、数据线的9、10引脚接上上拉电阻才能实现这个功能。 3.6 单片机模块

单片机是具有一些特有功能的集成芯片，可将编辑好的程序通过引脚输出信号执行相应的命令，达到相所设定的状态，现在被普遍应用在各种电路中。目前被广泛应用的是51系列的单片机，本论文设计的单片机模块也应用51系列芯片，其型号为AT89S52。它的工作电压为4.5~5V，具有诸多优点：比如所需要的功能低；使用方便等。

芯片的32~39引脚即P00~P07口与液晶显示器的D0~D7数据口连接，作为显示信号输入端口。1~4引脚即P10~P13口与LED灯连接，作为LED灯信号输入端。6~9引脚即P15~P17口和RST复位引脚与主电路连接，作为下载接口。13~17引脚即P33~P37口与远动控制MAX485电平转换芯片连接，作为远程通信输入端口。22~25引脚即P21~P24口与手动按键连接，作为手动控制信号输入端口。其他引脚则根据引脚功能接晶振、接地、接电源或者悬空即可[15]。 3.6.1晶振电路

单片机电路是由门电路构成的，需要时钟脉冲才能使电路工作。而且单片机完成执行命令的整个过程需要三个步骤，这三个过程必须要在统一的时钟脉冲下才能被正确的执行，因此必须要给单片机提供一个时钟脉冲。51系列单片机有两种提供时钟的方法：第一种为内部时钟，另一种为外部时钟。目前被广泛应用的是第一种内部时钟方式即时钟振荡器，此次设计也采用内部时钟方式，即用时钟振荡器为单片机提供时钟脉冲。时钟振荡器由一个晶体振荡器和两个电容组成，接到此次采用的AT89S52芯片的18~19引脚，即XTAL2和XTAL1引脚。这两个端口外接晶振时，会产生自激振荡。内部振荡器会按照晶振频率振荡，产生脉冲。XTAL1是内部振荡器的输入口，XTAL2内部振荡器输出口。51系列的单片机为了不产生通信积累误差和波特率误差，让串行通信具有很好的同步性能，一般采用频率为11.0592MHz的晶振，为了使谐振平衡，两个负载电容一般选取相同的值。 3.6.2复位电路

复位是单片机应用程序的一个前提条件，在启动运行时需要复位操作，使单片机和别的使用部件处于一个初始状态，并以此作为单片机的开始工作状态。如果在单片机运行过程中出现意外情况，比如死机，这时就必须对单片机进行复位操作，使程序回到原点，重头开始执行程序。51系列单片机复位电路一种是上电复位电路，另一种是按键复位电路。复位电路的本质就是通过复位电路产生高电平复位。按键复位电路有两种复位方式：按键脉冲复位和按键电平复位。此模块设计采用按键复位电路的电平复位方式。

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按下复位键时，电路接通，给电容C充电，有单片机的复位引脚将电平传送到单片机的内部复位电路，使其变成高电平，完成电路的复位操作。刚开始复位的瞬间，复位电压与单片机电压相等都为5V。当松开复位键的时候，电容经过内部下拉电阻放电，实现低电平恢复。实现复位的时候，RAM中的数据没有改变。此次设计的按键复位电路很简单，只需要一个10K的电阻和一个10μF电容。这样组成的电路只需要考虑复位信号大于两个机器周期即可。电路简单又可靠，对参数要求也不高，因而被广泛应用。 3.6.3程序下载接口

程序下载口分为两种：第一种为ISP；另一种为IAP。本模块为了免去调试时操作方便，准确度更高，采用ISP方式。

本课题使用的程序下载方式是ISP方式。ISP一般是通过串口对单片机内部的flash存储器进行编程，不需要辅助电路。ISP是10芯的插头。51系列单片机的ISP下载是主电路通过P15、P16、P17、RST引脚来下载程序的，操作简单可靠。 3.7 液晶显示模块

显示模块在此次电路设计中用来显示电容的充电电压和永磁操动机构的分合闸状态。液晶显示器LCD显示器接收到信号后，会一直保持初始的亮度和颜色，不会出现闪烁等现象，造成显示不稳定。它还具有别的优点，比如，显示操作简单、产生的损耗低、体积小等，因为这些特有的优点使它成为现在被广泛应用的轻薄型显示器。但它有个不可忽视的缺点，它的的性能会受到温度的影响。每个液晶显示器都有其特有的工作环境温度。所以在选择产品型号时，应充分考虑温度的影响，从而去选择合适的液晶显示器，使其功能得到更好的展现。本设计模块选择的液晶显示器的型号是LCD1602，为了使显示更清楚，选择带背光的LCD，它是一种常用性的液晶显示器，其正常的工作环境为0错误！未找到引用源。~55错误！未找到引用源。。它可以显示两行数据，在本次设计中第一行会显示当前永磁机构的状态是分闸状态还是合闸状态，第二行会显示当前状态的电容电压值。其引脚图如下表3-2所示。

表3-2 LCD160引脚表

序号 1 2 3 4 5 6

E 符号 VSS VDD VO RS

引脚说明 电源地 电源正极 液晶显示偏压 数据/命令选择 读/写选择 使能信号

序号 9 10 11 12 13 14

符号 D2 D3 D4 D5 D6 D7

引脚说明 数据3 数据4 数据5 数据6 数据7 数据8

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7 8

D0 D1

数据1 数据2

15 16

BLA BLK

背光源正极 背光源负极

VSS是接地电源，在地与电源之间接入一个0.1μF的去耦电容，去除高频信号等干扰。

VO是对比度调节端口，接一个为5K的滑动变阻R2在电源与地之间，用来调节显示屏的清晰度。

BLA接5V电源，BLK接地，组成了背光源的正负极。调节R2可以调节背光源的亮度。可以使显示器变得更清晰。

D0~D7口与上拉电阻共同接在单片机的32~39脚即P00~P07口。P0口需要上拉电阻才能工作，因此选择10K的排阻连接单片机与LCD显示器，从而使LCD显示屏显示相应状态和电容电压值。 3.8 控制模块

根据前面的永磁机构工作原理可知，永磁机构的状态给分合闸线圈通电即可，永磁机构的当前状态会一直保持，识别到下一个指令才会改变，我们可通过手动控制和远动控制来输入相应指令，改变其状态。 3.8.1手动控制

此模块设计的手动控制采用独立式键盘检测，即应用一组贴片式小按键。当按键按下时，电路导通，当按键松开时，线路就会断开。将按键的一端与单片机的I/O口相连接，另一端便接地。检测按键的时候单片机的I/O口的作用为输入作用。检测按键是否按下即检测单片机I/O口的电平高低，当检测到为低电平时即按键按下，执行按键按下的相应指令。程序刚开始设计时，先将I/O赋高电平，然后需要单片机频繁的检测这个I/O口是否变为低电平，当检测到这个I/O口变为低电平时即表示此按键与地连接，然后执行相应程序。按键键盘存在一个缺点即会发生抖动，我们可以使用延时方法去解决这个问题。 3.8.2远动控制

远动控制即数据通信方式，通信有串行和并行两种方式。并行通信传送数据一位数据就需要一条数据线，另外还需要一条信号线和若干控制信号线，使用起来比较麻烦。这种方式也只适用于短距离的传输。串行通信价格便宜，使用简单方便，解决了并行通信的缺点。串行方式也有两种方式即异步和同步。异步通信的发送端和接受端不需要时钟一致就可以控制数据的发送和接受，字符帧的长度没有规定，可以增加其他位，对硬